電磁超材料設計
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
電磁超材料設計的實例教程
導讀：2021年8月18日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學(North Carolina StateUniversity)研究人員開發出一種全新血管材料，并進行了展示。這種材料可被重新配置，從而改變熱和電磁特性。
該研究論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學土木、建筑和環境工程系助理教授JasonPatrick表示：“我們從生物體中發現的微小血管網絡中汲取靈感，并將這種微血管系統整合到用玻璃纖維增強的結構環氧樹脂中，本質上是血管化的玻璃纖維?！?△圖片來源：北卡羅來納州立大學
Patrick還稱：“通過將不同的流體泵入脈管系統，我們還可以控制復合材料的多種特性。這種可重構性極具潛力，可應用于飛機、建筑物和微處理器等領域?！?這種超材料由3D打印技術制成，因此工程師能夠創建各種形狀和大小的微小管網絡，即微血管系統。這種微血管系統可以結合到一系列結構復合材料中，包括玻璃纖維、碳纖維，以及用于防彈衣的高強度材料。
在實驗中，研究人員將鎵和銦的室溫液態金屬合金注入脈管系統中，從而可以通過操控微血管結構來控制超材料的電磁特性。具體來說，通過控制血管系統中包含的方向、間距和導電液態金屬，進而控制材料過濾掉射頻頻譜中的特定電磁波。這種重新配置具有可調諧通信和傳感系統(例如雷達、Wi-Fi)的潛力，能夠按需在頻譜的不同部分運行。
合著者、圣塔克拉拉大學(Santa Clara University)電氣工程助理教授Kurt Schab表示：“動態重新配置電磁非常有價值，特別是在尺寸、重量和功率限制極大激勵設備使用的應用。這些應用可以在系統中承擔多種通信和傳感角色。”
研究人員還通過相同的脈管系統循環水，并證明他們可以操縱材料的熱特性。
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模型中內核是硬質高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質彈性硅膠，外殼是硬質樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔?；贑OMSOL軟件對特征值求解分析作波矢參數的參數化掃描，得到特征頻率和振型模態的結果，如圖2所示。提取最低價的本征頻率，繪制了晶胞參數的頻帶結果圖，如圖3所示。
青島大學吳廣磊教授團隊近期以采用松塔為碳源制備的Ni/NiO@C復合材料為研究對象，通過調整復合材料的制備工藝達到了調控復合材料中Ni與NiO比例的目的。研究表明，含Ni13.17%的Ni/NiO@C復合材料展現出優異的電磁波吸收性能，最小反射損耗值（RLmin）在2.4 mm時達到了-51.1 dB，同時在2.7 mm時最大吸收帶寬（EAB，RL≤-10 dB）達到5.12 GHz。
背景介紹
電子通信設備的日益發展所引起的電磁波干擾已成為當今世界亟需解決的難題。這些電磁波不僅會對人體健康造成危害，還會干擾正常的通訊交流。因此，探索并制備新型高性能電磁波吸收材料來降低電磁波的不利影響成為了當下研究熱點。
近年來，磁/介電損耗型復合材料由于兼具磁損耗以及介電損耗的優勢而被制備用于高性能電磁波吸收材料，同時異質界面的增加也會進一步增強材料體系的介電損耗能力。因此，對于復合材料各組分的合理設計對優化復合材料的電磁波吸收性能具有重要意義。
展開 來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
通過設計熱學超材料的結構構型，可實現熱流的操縱與控制，從而獲得超常熱功能，如：熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉等。熱學超材料設計涉及高維設計空間、多個局部極值、巨大計算成本，以及熱學屬性與單胞結構間多種對應關系等，這給熱學超材料的智能設計帶來了巨大的挑戰，因此，開發出自動、實時、可定制化地設計熱學超材料的方法十分重要。
02
成果掠影
近日，華中科技大學高亮教授團隊關于熱學超材料拓撲優化設計的最新研究成果提出了深度學習賦能的熱學超材料拓撲優化設計方法，實現了自由形狀熱學超材料的智能設計。設計的“熱隱衣”可屏蔽外部溫度場對器件內部物體的干擾，實現主動隔熱，可用于熱敏元器件的熱防護。該方法采用深度生成模型，將拓撲功能單胞概率表示在隱空間，根據熱學超材料的定制功能需求，可自動、實時地生成具有目標熱傳導張量的拓撲功能單胞，進而快速生成熱學超材料?；谏鲜鏊悸罚芯繄F隊設計了多種具有自由形狀、背景溫度獨立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過數值仿真和熱學實驗驗證了其良好的熱隱身效果。該研究工作也為熱學超材料的智能設計提供了全新思路，可靈活實現不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學超材料的快速設計，解決了傳統熱學超材料設計中大規模有限元計算與反復優化迭代所帶來的計算效率低的難題，進一步推動了熱學超材料在航空航天、電子等領域的工程應用。相關研究成果以“Deep-Learning-Enabled Intelligent Design of Thermal Metamaterials”為題發表于《Advanced Materials》。
展開 新型超分子大環受體的設計與合成是推動超分子化學與材料研究領域蓬勃發展并使其走向應用的重要環節，同時也是有機超分子化學和大環化學領域極具挑戰的研究熱點之一。近幾年來，吉林大學化學學院、納微構筑化學國際合作聯合實驗室楊英威教授課題組在新型大環芳烴受體的設計合成及其超分子材料構筑與功能開發等方面取得了系列研究進展：
（1）設計與合成了系列具有大尺寸空腔和優異固相主客體化學性質的聯苯拓展型柱芳烴(圖1a)，并進一步利用胸腺嘧啶功能化的聯苯拓展型柱[6]芳烴衍生物構筑了一類新型熒光超分子組裝體系，同時借助超分子組裝誘導發光機制實現了對水中汞離子的高靈敏度、高選擇性以及低檢測限的熒光傳感檢測和快速吸附去除（Chem. Commun., 2016, 52, 5804; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4756; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8967）；
(2) 設計
與合成了首例“去對稱性的”柱[6]芳烴衍生物，即“斜塔[6]芳烴” (圖1b)，并通過構筑斜塔[6]芳烴的超分子晶體吸附材料，即斜塔芳烴非多孔自適應晶體，實現了對溴代烷烴位置異構體以及C6烷烴同分異構體的高選擇性吸附分離（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 9853; Angew. Chem. Int.
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通過設計熱學超材料的結構構型，可實現熱流的操縱與控制，從而獲得超常熱功能，如：熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉等。熱學超材料設計涉及高維設計空間、多個局部極值、巨大計算成本，以及熱學屬性與單胞結構間多種對應關系等，這給熱學超材料的智能設計帶來了巨大的挑戰
<p> 本案例建立了一六面體晶格結構，如圖1所示。模型中內核是硬質高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質彈性硅膠，外殼是硬質樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔?；贑OMSOL軟件對特征值求解分析作波矢參數的參數化掃描，得到特征頻率和振型模態的結果，如圖2所示。提取最低價的本征頻率，繪制了晶胞參數的頻帶結果圖
新型超分子大環受體的設計與合成是推動超分子化學與材料研究領域蓬勃發展并使其走向應用的重要環節，同時也是有機超分子化學和大環化學領域極具挑戰的研究熱點之一。近幾年來，吉林大學化學學院、納微構筑化學國際合作聯合實驗室楊英威教授課題組在新型大環芳烴受體的設計合成及其超分子材料構筑與功能開發等方面取得了系列研究進展：
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該研究論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學土木、建筑和環境工程系助理教授JasonPatrick表示：“我們從生物體中發現的微小血管網絡中汲取靈感，并將這種微血管系統整合到用玻璃纖維增強的結構環氧樹脂中
第一作者：周新峰、賈梓睿 通訊作者：吳廣磊 通訊單位：青島大學材料科學與工程學院 DOI：10.1016/j.jmst.2021.01.073 全文速覽 對復合材料的組分進行合理設計是實現高性能電磁波吸收性能的有效途徑。青島大學吳廣磊教授團隊近期以采用松塔為碳源制備的Ni/NiO@C復合材料為研究對象，通過調整復合材料的制備工藝達到了調控復合材料中Ni與NiO比例的目的。研究表明，含Ni13.17
